无线传感器网络原理及方法第五章
无线传感器网络复习资料
无线传感器网络复习资料第一章概述1、什么是无线传感器网络?无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。
2、传感器网络的终端探测结点由哪些部分组成?这些组成模块的功能分别是什么?（1）传感模块（传感器、数模转换）、计算模块、通信模块、存储模块、电源模块和嵌入式软件系统（2）传感模块负责探测目标的物理特征和现象，计算模块负责处理数据和系统管理，存储模块负责存放程序和数据，通信模块负责网络管理信息和探测数据两种信息的发送和接收。
另外，电源模块负责结点供电，结点由嵌入式软件系统支撑，运行网络的五层协议。
3、传感器网络的体系结构包括哪些部分？各部分的功能分别是什么？（1）网络通信协议：类似于传统Internet网络中的TCP/IP协议体系。
它由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。
（2）网络管理平台：主要是对传感器结点自身的管理和用户对传感器网络的管理。
包括拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、网络管理等。
这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。
（3）应用支撑平台：建立在网络通信协议和网络管理技术的基础之上。
包括一系列基于监测任务的应用层软件，通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。
第二章微型传感器的基本知识1、传感器由哪些部分组成？各部分的功能是什么？传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路组成。
敏感元件是传感器中能感受或响应被测量的部分。
转换元件是将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的信号（一般指电信号）部分。
基本转换电路可以对获得的微弱电信号进行放大、运算调制等。
另外，基本转换电路工作时必须有辅助电源。
2、集成传感器的特点是什么?体积小、重量轻、功能强、性能好。
无线传感器网络中的安全机制设计与优化
无线传感器网络中的安全机制设计与优化第一章：引言无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）是由大量的分布式无线传感器节点组成的网络，这些节点可以收集、处理、存储和传输环境信息，使用这些信息来感知环境和控制物理对象。
WSN在环境监测、物流管理、医疗卫生、智能交通等领域有着广泛的应用。
然而，WSN的无线通信和信道容易受到干扰和攻击，从而对系统的可靠性和安全性造成威胁。
因此，如何在WSN中设计有效的安全机制是研究人员和工程师需要注意的问题。
第二章：基本原理2.1 WSN的基本模型WSN由若干个传感器节点、一个或多个基站和一个网络控制中心组成。
传感器节点通过无线电通信网络进行数据交换和通信，进行自组织式网络连接，大多数的传感器节点都只能简单地进行数据收集和处理，而基站和网络控制中心负责管理和控制整个系统的运行和数据传输。
2.2 WSN的安全威胁WSN的安全威胁主要有以下几种类型：（1）欺骗攻击，即攻击者模拟合法节点欺骗网络；（2）信息泄露，即攻击者破解数据传输过程中的信息；（3）拒绝服务攻击，即攻击者阻止正常的通信链路；（4）篡改攻击，即攻击者篡改数据以欺骗用户或产生误导。
第三章：安全机制设计与优化3.1 安全算法在WSN中，要实现安全通信需要采用适合其特点的策略和算法。
对称加密算法适用于彼此之间安全性需求相差不大的对等实体间，而非对称加密机制则适用于安全需求强烈的场合。
较为常见的加密算法有AES、DES、RSA等。
3.2 密钥管理系统密钥管理系统主要负责产生、分发、更新和撤销密钥。
传统的密钥管理方法包括手动分发和中心化管理，但这些方法容易产生密钥泄露和密钥修补的安全风险。
因此，现在使用的密钥管理方法基本上是区块链技术。
3.3 认证技术认证技术是实现安全通信的一种可靠的方式，其主要功能是识别发送方和接收方的合法性。
WSN中，常用的认证技术有基于密码学的技术、基于生物特征的技术、基于强制访问控制的技术等。
第五章(支撑技术-节点定位)2014
5.1 概述
5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5 5.1.6 基本概念 基本术语 应用领域 定位算法分类 定位算法特点及要求 性能评价
5.1.1 基本概念
定义：无线传感器网络的定位问题一般指对于一组未知位置坐标的网 络节点，依靠有限的位置已知的锚节点，通过测量未知节点至其余节 点的距离或跳数，或者通过估计节点可能处于的区域范围，结合节点 间交换的信息和锚节点的已知位置，来确定每个节点的位置。 • 节点定位技术是无线传感网络的主要支撑技术之一。 • 节点定位问题即根据少数已知位置的节点，按照某种定位机制确定自 身的位置。 • 只有在节点自身正确定位之后，才能确定传感器节点监测到的事件的 具体位置，这需要监测到该事件的多个传感器节点之间相互协作，并 利用他们自身的定位机制确定事件发生的位置。 • 可以说，没有位置信息的数据往往是毫无意义的。 • 在传感器网络中，传感器节点自身的正确定位是提供监测事件位置信 息的前提。
• 在现实应用中，无线传感器网络的定位技术可以应用在许多重要的领 域，几乎包括所有无线传感器技术能够应用到的领域，包括传统应用 有军事，监控，应急，环境，防空等领域，新兴应用将涉及家用，企 业管理，保健，交通等领域。
5.1.4 定位算法分类
近年来出现了多种定位算法，在特定条件下，某些算法在某些性能指 标上可能优于其它算法，而在其它方面可能处于劣势。在一定意义下 ，具有普遍性的公认为最优秀的定位算法目前尚未产生。 尽管无线传感器网络自身定位系统和算法的分类还没有一个统一的标 准，也不一定适用于每一种定位系统和算法，但下面这些分类方法能 在一定程度上刻画不同定位技术的特点。
5.1.6 性能评价
(5)容错性和自适应性。通常，定位系统和算法都需要比较理想的无线通 信环境和可靠的网络节点设备。但在真实应用场合中常会有诸如以下 的问题：外界环境中存在严重的多径传播、衰减、非视距(non-lineof-sight，简称NLOS)、通信盲点等问题；网络节点由于周围环境或 自身原因(如电池耗尽、物理损伤)而出现失效的问题；外界影响和节 点硬件精度限制造成节点间点到点的距离或角度测量误差增大的问题。 由于环境、能耗和其他原因，物理地维护或替换传感器节点或使用其 他高精度的测量手段常常是十分困难或不可行的。因此，定位系统和 算法的软、硬件必须具有很强的容错性和自适应性，能够通过自动调 整或重构纠正错误、适应环境、减小各种误差的影响，以提高定位精 度。 (6)功耗。功耗是对WSN的设计和实现影响最大的因素之一。由于传感器 节点电池能量有限，因此在保证定位精度的前提下，与功耗密切相关 的定位所需的计算量、通信开销、存储开销、时间复杂性是一组关键 性指标。
无线传感器网络原理及应用
无线传感器网络原理及应用
无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，简称WSN）是由大量分布在空间中的无线传感器节点组成的一种自组织、自适应的网络系统。
每个节点都具备感知环境、处理数据和通信的能力。
无线传感器网络凭借其低成本、低功耗、灵活部署等优势，被广泛应用于各个领域。
无线传感器网络的工作原理如下：首先，各个节点通过无线通信互相连接，形成一个多层次的网络结构。
每个节点负责采集周围环境的信息，如温度、湿度、压力等，借助内置的处理器对数据进行处理和分析。
然后，节点将处理后的数据通过无线传输协议发送给周围的节点，通过多跳路由的方式最终传输到目标节点中。
目标节点接收到数据后，可以进行进一步的处理或者发送给其他外部系统进行分析和应用。
无线传感器网络有着广泛的应用。
在环境监测方面，可以用于气象预报、水质检测、大气污染监测等。
在农业领域，可以用于土壤监测、作物生长状况监测、灌溉控制等。
在智能交通领域，可以用于交通流量监测、智能交通信号控制等。
此外，无线传感器网络还应用于工业自动化、健康监测、安全监控等多个领域，为各个行业提供了大量的实时数据，帮助我们更好地了解和管理环境。
总之，无线传感器网络通过节点互相通信、数据采集和处理，构建了一个分布式的网络系统，具备广泛的应用前景。
通过无线传感器网络，我们可以实时获取环境信息，提高生产效率，
改善资源利用效率，为各个行业的发展和可持续发展贡献一份力量。
无线传感器网络中数据传输路由优化算法研究
无线传感器网络中数据传输路由优化算法研究第一章引言无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）是由许多分布在广泛地域内的传感器节点组成的网络系统。
这些传感器节点能够感知环境中的各种信息，并将这些信息通过无线通信传输给基站或其他节点。
数据传输路由是WSN中的关键问题之一，它直接影响到网络的性能和能耗。
因此，如何优化数据传输路由成为了WSN领域的研究热点。
第二章相关工作当前，已经提出了许多数据传输路由优化算法。
其中，最经典的算法包括最短路径算法、贪心算法、遗传算法等。
然而，这些算法在实际应用中存在一些问题，如算法复杂度高、能耗大、路由不稳定等。
因此，需要寻找更加适用于WSN的数据传输路由优化算法。
第三章路由优化目标路由优化的目标是在保证传输质量的前提下，最大限度地降低能耗，并提高网络的稳定性。
为了实现这一目标，需要考虑诸多因素，如能量平衡、链路质量、路由稳定性等。
第四章路由优化算法介绍本章将介绍几种经典的路由优化算法，并分析其优缺点。
4.1 最短路径算法最短路径算法是一种经典的路由优化算法，主要通过计算节点之间的距离来确定最短路径。
然而，在WSN中，节点之间的距离不仅仅取决于两节点之间的直线距离，还与其他因素（如信号强度衰减、障碍物等）有关。
因此，最短路径算法在WSN中存在一定的局限性。
4.2 贪心算法贪心算法采用局部最优的策略，每次选择能够使得当前总能耗最小的路径。
虽然贪心算法简单且易于实现，但由于其只考虑局部最优解，可能导致全局最优解的缺失。
4.3 遗传算法遗传算法是一种通过模拟生物进化过程寻找最优解的优化算法。
对于WSN来说，遗传算法可以帮助找到较为优化的传输路由。
但是，遗传算法计算复杂度高，且对初始种群的选择和交叉操作的设计要求较高。
第五章路由优化算法优化为了改进已有的路由优化算法，本章提出了一种新的路由优化算法。
该算法采用自适应调整的策略，根据实时的网络状态自动调整传输路由。
ZigBee无线传感器网络设计实战第五章
XXGC
终端节点
协调器
无线数据传输原理图
实训 5-1 无线数据发送和接收 知识链接
1 设备类型
在ZigBee无线网络中，存在3种逻辑设备类型， 即：协调器（Coordinator）、路由器（Router） 和终端节点（End-device）。 ZigBee网络通常由一个协调器以及多个路由器和 多个终端设备组成，绿色节点为协调器，蓝色节 点为路由器，橙色节点为终端设备，如右图所示。
afAddrType_t *dstAddr：该参数包含了目 的节点的网络地址以及发送数据的格式。 endPointDesc_t *srcEP：该参数的作用就 是指定端口号。 uint16 cID：这个参数描述的是命令号。 uint16 len：该参数标识了发送数据的长度。 uint8 *buf：该参数是指向发送数据缓存区的 指针。
/* Coordinator Settings */ -DZDO_COORDINATOR -DRTR_NWK
//开启协调器功能 //开启路由器功能
不同的是，如果路由器和终端节点的 ZDAPP_CONFIG_PAN_ID值设置为非0xFFFF 值，则会以ZDAPP_CONFIG_PAN_ID值作为 PANID。
实训 5-1 无线数据发送和接收
如果协调器的PANID的设置值为小于等于 0x3FFF的有效值，协调器就会以这个特定的 PANID值建立网络。但是，如果在默认的信道 上已经有了该PANID值的网络存在，则协调器 会继续搜寻其他的PANID，直到找到网络不冲 突为止。
ZigBee网络示意图
实训 5-1 无线数据发送和接收
协调器是整个网络的核心，它最主要的作用是启 动网络，其方法是选择一个相对空闲的信道，形 成一个PANID（网络编号）。它也会协助建立 网络中的安全层及处理应用层的绑定。当整个网 络启动和配置完成之后，它的功能就退化为一个 普通路由器。
无线传感器网络的基本原理和工作方式
无线传感器网络的基本原理和工作方式无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）是一种由大量分布在空间中的无线传感器节点组成的网络系统。
这些无线传感器节点可以感知、采集和传输环境中的各种信息，如温度、湿度、压力、光线等，从而实现对环境的实时监测和数据采集。
本文将介绍无线传感器网络的基本原理和工作方式。
一、无线传感器网络的基本原理无线传感器网络的基本原理是将大量的无线传感器节点分布在感兴趣的区域内，通过无线通信技术进行连接和协作，实现对环境的感知和监测。
每个无线传感器节点都具有一定的计算、存储和通信能力，能够独立地感知环境并与其他节点进行通信。
无线传感器节点通常由传感器、处理器、存储器和无线通信模块组成。
传感器负责采集环境中的各种信息，如温度、湿度等。
处理器负责对采集到的数据进行处理和分析，存储器用于存储数据和程序。
无线通信模块负责与其他节点进行通信，传输数据和接收指令。
二、无线传感器网络的工作方式无线传感器网络的工作方式可以分为感知层、网络层和应用层三个层次。
1. 感知层：感知层是无线传感器网络的最底层，负责采集环境中的各种信息。
每个无线传感器节点通过传感器采集环境数据，并将数据传输到处理器进行处理和分析。
感知层的主要任务是实时采集环境数据，并对数据进行预处理，如滤波、压缩等。
2. 网络层：网络层是无线传感器网络的中间层，负责无线传感器节点之间的通信和数据传输。
每个无线传感器节点通过无线通信模块与其他节点进行通信，传输数据和接收指令。
网络层的主要任务是实现节点之间的无线通信和数据传输，保证数据的可靠传输和网络的稳定运行。
3. 应用层：应用层是无线传感器网络的最高层，负责对采集到的数据进行应用和处理。
通过应用层的处理，无线传感器网络可以实现各种应用，如环境监测、智能农业、智能交通等。
应用层的主要任务是对采集到的数据进行处理和分析，并根据应用需求进行相应的控制和决策。
无线传感器网络的工作方式可以通过协议栈来实现。
无线传感器网络的工作原理与应用
无线传感器网络的工作原理与应用无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）是指由大量分布在被监测区域内的微型传感器节点组成的一种网络。
这些传感器节点能够自组织地进行通信和数据传输，完成对环境的感知和信息采集。
然后再将采集到的数据通过通信网络传送至数据处理中心进行分析和应用。
无线传感器网络可以广泛应用于环境监测、智能交通、农业、医疗等领域。
一、无线传感器网络的工作原理1. 传感器节点：每个传感器节点由传感器、处理器、无线通信模块和能量供应组成。
2. 网络组织：传感器节点根据一定的规则自组织成无线传感器网络，通过无线通信模块进行数据传输。
3. 数据传输：传感器节点通过多跳方式将数据传输至汇聚节点，然后通过传输链路将数据发送至数据处理中心。
4. 数据处理：数据处理中心对接收到的数据进行分析、存储和应用。
二、无线传感器网络的应用1. 环境监测：通过分布在被监测区域内的传感器节点，监测环境中的温度、湿度、光照等参数，实现对环境的实时监测和预警。
2. 智能交通：利用传感器节点监测路况、交通信号等信息，实现交通的智能调度和管理，提升交通效率和安全性。
3. 农业应用：使用传感器节点实时监测土壤温度、湿度，气象参数等信息，辅助农民进行科学农业生产管理。
4. 医疗领域：通过植入或佩戴传感器节点，对患者的生理参数等进行监测，实现对患者的远程监护和健康管理。
三、无线传感器网络的应用步骤1. 网络规划：根据应用需求和环境特点，确定传感器节点的布局和数量。
2. 传感器节点的部署：按照规划，将传感器节点部署在被监测区域内，保证节点之间的覆盖且能够互相通信。
3. 数据采集和处理：传感器节点负责采集环境信息，并通过无线通信模块将数据传输至汇聚节点。
4. 数据传输和存储：汇聚节点将接收到的数据通过传输链路传送至数据处理中心，并进行存储和备份。
5. 数据分析和应用：数据处理中心对接收到的数据进行分析，并做出相应的决策或提供相关的服务。
《无线传感器网络技术概论》课程标准
《无线传感器网络技术概论》课程标准无线传感器网络技术概论课程标准课程简介本课程旨在为学生提供有关无线传感器网络的技术基础知识，包括它们的设计、实现和应用。
学生将了解无线传感器网络的特点和应用领域，熟悉无线传感器网络的硬件和软件设计，并研究如何在实际问题中应用无线传感器网络。
研究目标本课程主要目标是让学生熟悉无线传感器网络技术的基本概念和应用，包括：- 理解无线传感器网络的特点、工作原理以及基本组成部分；- 熟悉无线传感器网络的硬件设计、软件设计和通信协议；- 掌握无线传感器网络应用的基本方法和实践技巧；- 能够针对特定需求设计无线传感器网络应用，并具备实际应用能力。
课程内容第一章无线传感器网络的概述1.1 无线传感器网络的概念和特点1.2 无线传感器网络的应用领域1.3 无线传感器网络的组成部分第二章无线传感器网络的硬件设计2.1 无线传感器网络的节点2.2 无线传感器网络的传感器2.3 无线传感器网络的能量管理第三章无线传感器网络的软件设计3.1 无线传感器网络的操作系统3.2 无线传感器网络的编程语言3.3 无线传感器网络的仿真软件第四章无线传感器网络的通信协议4.1 无线传感器网络的协议栈4.2 无线传感器网络的MAC协议4.3 无线传感器网络的路由协议第五章无线传感器网络应用的基本方法和实践技巧5.1 无线传感器网络应用的实验平台5.2 无线传感器网络应用的程序设计5.3 无线传感器网络应用的实际应用案例教学方式本课程采用课堂讲授、实验、讨论等多种教学方式，强调理论与实践相结合，注重学生的探究与实践能力培养。
考核方式学生的考核将包括课堂表现、实验报告、设计案例报告以及课程论文等形式。
其中，实验和设计部分的考核占主要比重。
参考书目- 《无线传感器网络技术》- 《无线传感器网络与物联网》- 《无线传感器网络的设计与实现》。
第5章无线传感器网络传输层协议
（1）基本思想
PSFQ协议要求：用户节点将数据分割成多个报文传输，每个报文被单独 当做一个分组，每个报文包含一些基本的消息，如剩余跳数TTL（TimeTo-live）、报告位、当前报文序号、文件所在报文的序号等。每一个用个 节点按照报文分割后的顺序，每隔一段固定的时间广播一个新的报文分组， 直到所有的报文都发送出去为止。
第五章 无线传感器网络传输层协议
无线传感器网络传输层协议概述 无线传感器网络传输层关键问题 无线传感器网络传输层协议分类 典型无线传感器网络传输层协议 无线传感器网格体系
第五章 无线传感器网络传输层协议
无线传感器网络传输层协议概述
➢传输层是是最靠近用户数据的一层，主要负责在源和 目标之间提供可靠的、性价比合理的数据传输功能。为 了实现传输层对上层透明，可靠的数据传输服务，传输 层主要研究端到端的流量控制和拥塞的避免，保证数据 能够有效无差错地传输到目的节点。
典型无线传感器网络传输层协议—— ESRT的ES局R限T性：
ESRT要求Sink节点通信范围必须能够覆盖整个网络，对Sink节点 的硬件要求非常高，对于大规模的无线传感器网络来说，实现比 较困难。
Sink节点没有考虑到各个节点的优先级信息，对所有节点采取统 一的调配方案，假设节点在某个局部地区任务突然增加，ESRT 就不适用了。
➢检测下一跳节点拥塞度是为了使分流之后形成的链路不会形成新的拥 塞，从而浪费时间和能量。检测下一跳节点的剩余能量值是为了避免新 链路形成以后节点因为能量耗尽而导致链路失效的情况发生。
第五章 无线传感器网络传输层协议
无线传感器网络的基本原理与应用
无线传感器网络的基本原理与应用无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种由大量分布式无线传感器节点组成的网络系统，用于采集、处理和传输环境中的物理或化学信息。
它具有自组织、自适应和自修复等特点，被广泛应用于环境监测、智能交通、农业、医疗等领域。
一、无线传感器网络的基本原理无线传感器网络的基本原理是通过无线传感器节点实现信息的采集、处理和传输。
每个传感器节点由传感器、处理器、通信模块和能量供应组成。
传感器负责采集环境中的信息，如温度、湿度、光照等；处理器对采集到的信息进行处理和分析；通信模块实现节点之间的通信；能量供应保证节点的正常运行。
无线传感器网络中的节点通常采用分布式部署方式，节点之间通过无线通信进行数据传输。
节点可以自主选择合适的传输路径，并通过多跳传输实现数据的传输。
由于传感器节点数量众多，节点之间的通信距离有限，因此需要利用多跳传输来实现全局通信。
二、无线传感器网络的应用1. 环境监测无线传感器网络在环境监测领域具有广泛应用。
通过在大面积范围内部署传感器节点，可以实时监测环境中的温度、湿度、空气质量等参数。
这些数据可以帮助环境保护部门进行环境评估和污染控制，提高环境监测的效率和准确性。
2. 智能交通无线传感器网络在智能交通系统中起到重要作用。
通过在道路上部署传感器节点，可以实时监测交通流量、车辆速度等信息，并将这些信息传输到交通管理中心。
交通管理中心可以根据这些数据进行交通信号控制和路况预测，提高交通系统的效率和安全性。
3. 农业无线传感器网络在农业领域的应用越来越广泛。
通过在农田中部署传感器节点，可以实时监测土壤湿度、温度等参数，帮助农民合理管理灌溉和施肥。
此外，还可以监测农作物的生长情况，提供农民决策支持，提高农业生产的效益和可持续性。
4. 医疗无线传感器网络在医疗领域的应用也非常广泛。
通过在医院或患者身上部署传感器节点，可以实时监测患者的生命体征，如心率、血压等。
无线传感器网络的数据传输原理及方法
无线传感器网络的数据传输原理及方法无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种由大量分布式传感器节点组成的网络系统，用于收集、处理和传输环境中的各种物理量信息。
数据传输是无线传感器网络中最基本、最核心的功能之一，它决定了网络的可靠性、效率和能耗。
本文将探讨无线传感器网络数据传输的原理和方法。
一、数据传输原理无线传感器网络中的数据传输原理基于无线通信技术和分布式传感器节点的协作。
传感器节点通过感知环境中的物理量，将采集到的数据进行处理和传输，最终达到数据的接收端。
数据传输原理主要包括以下几个方面：1. 无线通信技术：无线传感器网络利用无线通信技术实现节点之间的数据传输。
常见的无线通信技术包括Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等。
这些技术能够提供不同的传输速率、传输距离和能耗特性，根据具体应用场景选择合适的无线通信技术。
2. 路由协议：路由协议是无线传感器网络中实现数据传输的关键。
它负责选择合适的传输路径，将数据从源节点传输到目的节点。
常见的路由协议包括LEACH、TEEN、PEGASIS等。
这些协议根据网络拓扑结构、节点能耗等因素进行优化，以提高数据传输的效率和可靠性。
3. 数据编码与解码：数据编码与解码是保证数据传输正确性的重要环节。
传感器节点将采集到的数据进行编码，通过无线通信信道传输给接收端，接收端对接收到的数据进行解码，恢复原始数据。
编码与解码算法的设计直接影响数据传输的可靠性和抗干扰性能。
二、数据传输方法无线传感器网络中的数据传输方法多种多样，根据具体应用场景和需求选择合适的方法。
下面介绍几种常见的数据传输方法：1. 直接传输：直接传输是最简单的数据传输方法，即源节点将采集到的数据直接发送给目的节点。
这种方法适用于网络规模较小、传输距离较近的场景。
但是，直接传输容易受到信号衰减、干扰等因素的影响，导致数据传输的可靠性较低。
2. 多跳传输：多跳传输是通过多个中间节点进行数据传输的方法。
《物联网导论》第4章-无线传感网络
4.2 无线传感器网络的体系结构
重庆邮电大学
传感节点、路由节点和传感器网络 网关构成的感知层存在多种拓扑结构， 如星型、树型、网状拓扑等，如图中 (a)、(b)、(c)。也可以根据网络规模 大小定义层次性的拓扑结构，如图中(d) 所示的分层结构。
第五章 无线传感网络
重庆邮电大学
学习要求：
ZigBee 技术
1
2
6LoWPAN 技术
1
2
蓝牙及蓝牙 4.x 技术1来自234
体域网技术
1
2
面向视频通信的无线传感网技术 1 2
掌握 ZigBee 网络的构成 掌握 ZigBee 协议体系
掌握 6LoWPAN 网络拓扑 掌握 6LoWPAN 标准协议栈架构
4.3 中高速无线网络规范概述
重庆邮电大学
4.3.1 IEEE 802.11X系列无线局域网标准
目前，无线局域网已经形成了IEEE802.11系列标准，包 括IEEE 802.11、IEEE 802.11a/b/c/d/e/f/g/h/i/n/ah等标准。 199 0年IEEE802标准化委员会成立IEEE802.11WLAN标准工作组。
硬件层
……
设备管理
安全管理 跨 层 管 网络管理 理
标识
4.2 无线传感器网络的体系结构
重庆邮电大学
应用层： 位于整个技术架构的顶层，由应用子集和协同信息处理这两个模块组成。
服务子层： 包含具有共性的服务与管理中间件，典型的如数据管理单元、数据存储
单元、定位服务单元、安全服务单元等共性单元。
无线传感器网络的工作原理
无线传感器网络的工作原理无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是一种由许多分布在一定区域内的无线传感器节点组成的网络。
这些传感器节点可以通过无线通信相互连接，并集体协同工作来实现各种任务，如环境监测、数据采集、事件检测等。
本文将介绍无线传感器网络的工作原理及其应用。
一、无线传感器网络的组成与通信方式无线传感器网络由大量的无线传感器节点组成，每个节点都拥有计算、通信、传感和能源供应等功能模块。
这些传感器节点分布在被监测的区域内，通过无线通信互相交换数据。
节点之间使用无线电波进行通信，具体的通信方式可以是单跳式通信、多跳式通信或基站式通信。
二、无线传感器网络的工作原理1. 节点工作模式传感器节点在工作中常常采用低功耗的睡眠-唤醒工作模式。
节点在大部分时间处于睡眠状态，以降低能耗。
当节点周围环境发生变化或接收到其他节点的唤醒信号时，节点会被激活并开始执行相应的任务。
2. 数据采集与传输传感器节点通过感知和采集周围环境的信息，将采集到的数据进行处理并通过通信模块传输到其他节点或基站。
节点之间可以利用多跳式通信，将数据通过中间节点进行转发，以实现远距离通信。
3. 路由选择在无线传感器网络中，路由选择是一个重要的问题。
节点需要根据网络拓扑结构和传输距离等因素选择合适的路由路径进行数据传输。
常用的路由协议有LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）、PEGASIS（Power-efficient Gathering in Sensor Information Systems）等。
4. 节能调度节点的能耗是无线传感器网络中需要解决的一个主要问题。
为了延长网络的生命周期，需要对节点的能耗进行有效的调度和管理，如通过合理的休眠和唤醒策略、数据压缩和聚合等方法减少节点的能量消耗。
三、无线传感器网络的应用无线传感器网络在各个领域都有广泛的应用，如环境监测、农业、交通、医疗等。
无线传感器网络技术原理及应用
无线传感器网络技术原理及应用
无线传感器网络技术原理及应用
一、无线传感器网络（WSN）技术原理
1. 无线传感器网络定义：无线传感器网络是一系列称为节点（node）的可编程的小型设备，它们可以相互通信来收集、处理、存储和分析任务相关的数据。
这些节点彼此之间以无线的方式连接，通常情况下不需要任何的基础设施支持，无线传感器网络可以实现在任何时间任何地点的应用。
2. 传感器节点组成部件：传感器节点是基于特定地理位置上的一种带有传感器、处理器、存储和无线通信接口的设备。
它们一般由下述组成部件组成：传感器用来捕捉外界环境的信息，处理器用来处理它获取的信息，存储器用来存储接收到的数据，通信口用来与其他节点以及后端的服务器之间进行无线通信。
3. 无线传感器网络通信技术：主要包括实时中继、多跳通信、轮询和类蜂窝网络等。
二、无线传感器网络（WSN）应用
1. 无线传感器网络技术可支持环境监测：可以收集环境中的各种数据，帮助识别出环境中的各种现象，并有效预测出环境中的潜在问题。
这
些应用包括了空气污染、水质检测、有害物检测、地形分析以及农业
监测等。
2. 无线传感器网络技术可支持资源监测：可以用来监测和分析各种客
观资源信息，以此保证客观数据准确、及时和有效地传输到相关系统，进而有效应对各种突发环境。
这些应用包括了农业和森林火灾检测、
路面状况管理、运输路线管理和震动监测等。
3. 无线传感器网络技术可支持社会安防：可以支持城市安全、防犯、
防火、防洪等任务，实现智能监控和地理围栏报警，及时发现犯罪活动、自然灾害等，从而确保城市安全。
无线传感器网络技术原理及应用-ppt课件-第5章
贵的电能。如果MAC协议采用最直接的时分多路复用策略，
利用占空比的调节便可实现上述目标，但需要参与通信的 受访首先实现时间同步，并且同步精度越高，防护频带越
小，相应的功耗也越低。因此高精度的时间定位是低功耗
MAC协议的基础。
31 3. 测距定位
定位功能是许多典型的无线传感器网络应用的必需条
件，也是当前的一项研究热点。如果网络中的节点保持时 间同步，节点间传输的时间容易被确定。由于电磁波在一
其分为三类： 排序、相对同步和绝对同步。
外同步和内同步。
全网同步和局部同步。 1. 排序、相对同步和绝对同步
一些研究者将时间同步的需求分为排序、相对同步和
绝对同步三个不同的层次。实现对事件的排序是最简单的 时间同步需求，即实现对事件发生的先后顺序的判断，这 是第一个层次。
9 相对同步是第二个层次，节点维持其本地时钟的独立运行，
定介质中的传输速递是确定的，因此传输时间信息很容易
转换为距离信息。所以测距的精度直接依赖于时间同步的 精度。
32 4. 协作传输要求
由于无线传感器网络节点的传输功率有限，距离较远
的节点之间传输不能达到理想的效果，而协作传输的基本 思想为：网络内多个节点同时发送相同的信息，基于电磁
波的能量累加效应，远方基站将会接收到一个瞬间功率很
点的方法既浪费了通信带宽和能量，又降低了信息的收集
效率。数据融合技术在一定程度上缓解了能量问题和信息 收集效率。
34 5.2.1 概念
数据融合是将来自多个传感器和信息源的多份数据或
信息进行相关的处理，去除冗余数据，组合出更有效、更 符合用户需求的数据的过程。对于无线传感器网络的应用，
数据融合技术主要用于处理同一类型传感器的数据。数据
《无线传感器网络与物联网通信技术》教学课件 第5章 物联网无线通信技术 5.4 LoRa技术
5.4 LoRa技术
5.4.2 LoRa协议结构
LoRa网络规范除了位于底层的LoRa物理技术，还涉及LoRaWAN开放标准协议。 LoRa网络的整体协议结构包含物理层、数据链路层和应用层3层。其网络协议结构 如图5-10所示。
无线传感器网络与物联网通信技术
5.4 LoRa技术
星
星
形
形
轮
并
询
发
组
组
网
网
无线传感器网络与物联网通信技术
寄存器配置 1 2 3 4
编码率 4/5 4/6 4/7 4/8
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
开销比 1.25 1.50 1.75 2.00
无线传感器网络与物联网通信技术
5.4 LoRa技术
LoRaWAN协议层
LoRaWAN协议根据应用的不同，分别定义了终端设备的3种工作模式，即Class A、 Class B和Class C，其中，Class A模式是其他两种模式的基础。 Class A是协议默认的终端工作模式，采用完全异步传输的双向通信方式，在每个终端 节点上行传输之后，紧接着是两个短暂的下行传输链路接收窗口，用于接收网关返回的 命令或数据，如图5-11所示。
无线传感器网络与物联网通信技术
5.4 LoRa技术
LoRaWAN协议层
Class B模式除了具有Class A模式一样的通信功能，还允许网关主动发起通信，终端节 点可在特定时间打开接收窗口，该模式又称为拥有预定接收时间槽的Class A模式。为 了确保该类型终端节点能够在特定时间完成数据传输，网关需要发送时间同步信标 （Beacon），终端节点在监听过程中收到同步信标后完成与网关的时间同步，进而终 端节点打开接收窗口Ping时隙，网关向终端节点下发数据信息，如图5-12所示。
物联网中无线传感器网络的使用教程
物联网中无线传感器网络的使用教程随着物联网技术的快速发展，无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）成为实现物联网互联的重要组成部分。
无线传感器网络由大量分散部署的传感器节点组成，能够自主感知环境信息，并通过无线通信技术互相协作，实现物理世界与数字世界的连接。
本文将介绍无线传感器网络的基本原理和使用教程，帮助读者快速上手和应用于物联网中。
一、无线传感器网络的基本原理无线传感器网络由传感器节点、中心节点和通信组件三部分组成。
传感器节点负责感知环境信息，中心节点进行数据处理和决策，通信组件负责节点间的通信。
1. 传感器节点：传感器节点包含传感器、处理器和无线通信模块等。
传感器负责收集环境信息，如温度、湿度、光照等，将收集到的数据通过处理器进行处理，并通过无线通信模块发送给中心节点。
2. 中心节点：中心节点是无线传感器网络的控制中心，负责接收传感器节点发送的数据，并进行数据处理、存储和决策。
中心节点可以连接云服务器，将数据传输到云端进行更高级别的数据分析和应用。
3. 通信组件：无线传感器网络使用无线通信技术，如Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等，实现节点间的通信。
通信组件包括无线模块、天线和协议栈，负责数据的传输和网络的组网。
二、无线传感器网络的使用教程无线传感器网络的使用教程可以分为传感器节点部署和配置、中心节点数据处理和决策两部分。
1. 传感器节点部署和配置（1）确定传感器节点的数量和部署位置：根据实际需求确定传感器节点的数量和部署位置。
传感器节点应该尽量覆盖监测区域，并注意节点之间的通信距离。
（2）搭建传感器节点：根据传感器节点的规格和功能要求，选择相应的硬件和软件平台。
可以选择开源平台，如Arduino、Raspberry Pi 等，或者自行搭建传感器节点。
（3）配置传感器节点：根据实际需求和传感器节点的功能，进行节点的配置和参数设置。
可以通过编程方式设置节点的采样频率、阈值等参数。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
5.4.5 DMAC
传感器网络中一种重要的通信模式是多个传感器节点向一个汇 聚节点发送数据。所有传感器节点转发收到的数据，形成一个以汇聚 节点为根节点的树型网络结构，称为数据采集树(data gathering tree)。DMAC协议就是针对这种数据采集树结构提出的，目标是减少 网络的能量消耗和减少数据的传输延迟。 DMAC协议的核心思想是采用交错调度机制。 DMAC协议采用ACK应答机制，发送节点如果没有收到ACK应答， 要在下一个发送时间重发。节点正确接收到数据后，立刻发送ACK消 息给发送数据的节点。为了减少发送数据产生的冲突，节点在等待固 定的后退时间(backoff period，BP)后，在冲突窗口(content window，CW)内随机选择发送等待时间。接收节点在发送ACK消息时， 采用短时间段(short period，SP)的固定延迟。
站点A
站点B
站点
图5-6隐蔽终端问题
NAV等待时间（延迟接入信道）
图5-7
RTS/CTS访问机制
3．退避算法
对于要发送帧的STA而言，当该STA通过物理或虚拟载波机制
发现媒质忙时，或STA被指出发送没有成功时，STA将调用退避算 法。退避算法过程如图5-8所示 。
DIFS 节 点 A 节 点 B 节 点 C 推 迟 节 点 D 推 迟 节 点 E 退 避时 间 帧 剩 余 退 避 时 间 帧 竞 争 窗 口 帧 推 迟 帧 推 迟
5.4.1基于分簇网络的MAC协议
对于分簇结构的传感器网络，基于TDMA机制的MAC协议如图 5-17所示，所有传感器节点同时划分或自动形成多个簇，每个簇 内有一个簇头节点。簇头负责为簇内所有传感器节点分配时槽， 收集和处理簇内传感器节点发来的数据，并将数据发送给汇聚节 簇3 点。 汇聚节点
簇1
簇2
通常传感器网络的以下三个特性：
第一，传感器网络的空间相关性和时间相关性。 第二，不是所有节点都需要报告事件。 第三，感知事件的节点密度随时间变化。
5.4 基于时分复用的MAC协议
时分复用(time division multiple access ，TDMA)是实现 信道分配的简单成熟的机制，蓝牙(B1uetooth)网络采用了基于 TDMA的MAC协议。在传感器网络中采用TDMA机制，就是为每个节 点分配独立的用于数据发送或接收的时槽，而节点在其他空闲时 槽内转入睡眠状态。 TDMA机制的一些特点非常适合传感器网络节省能量的需求： TDMA机制没有竞争机制的碰撞重传问题；数据传输时不需要过多 的控制信息；节点在空闲时槽能够及时进入睡眠状态。
帧
竞 争 窗 口
竞 争 窗 口 竞 争 窗 口
图5-8退避算法过程
5.2.4集中式协调功能(PCF)
1．PCF基本访问
2．无竞争期间的网络分配矢量操作 3．PCF站点的帧发送过程
图5-9为PCF工作模式下PC和STA间帧传输的例子。
4．无竞争轮询列表 轮询列表是一个隐藏在PC处
信标 PIFS PIFS D1 +轮询 U1 +ACK D2+ACK +轮询 U2 +ACK 对无竞争轮询 CF-Poll的应答 无竞争重复间隔 无竞争期（CFP） PIFS PIFS PIFS 竞争期
D3+ACK +轮询
D3 +轮询 U4 +ACK
的逻辑结构，用于强制轮询无竞
争可轮询的STA，而不管是否有数 据要发送到该STA。
PIFS NAV PIFS
CF-END （无竞争结 束） 复位NAV
PIFS CFP_Max_Duration
PIFS
注：Dx表示PC发送的分片；Ux表示被轮询SAT发送的分片
2.早睡问题
T-MAC协议提出两种方法解决早睡问题。 第一种方法称为未来请求发送(future request-to-send，FRTS)。 另一种方法称作满缓冲区优先 (full buffer priority)。当节点的缓 冲区接近占满时，对收到的RTS不作应 答，而是立即向目标接收者发送RTS消 息，并传输数据给目标节点。
5.4.4 TRAMA协议
2．SEP协议
调度交换协议SEP用来建立和维护发送者和接收者的调度信息。在调度访 问周期内，节点周期性向邻居广播它的调度信息，如在赢时槽中发送数据的接 收者，或者放弃该赢时槽等调度信息。
3．AEA算法
节点有发送、接收和睡眠三种状态。在调度访问周期内的给定时槽，节点 处于状态当且仅当它有数据需要发送，且在竞争者中有最高的优先级；节点处 于接收当且仅当它是当前发送节点指定的接收者；其他情况下，节点处于睡眠 状态。每点在调度周期的每个时槽上运行AEA算法。该算法根据当前两跳邻居 节点内的优先级和一跳邻居的调度信息，决定节点在当前时槽的活动策略：发 送，接收，睡眠。
无线节点1
无线节点2
FTP
无线节点3
无线节点4 AP 服务器
IP
Internet 防火墙 有线网 Web
无线节点5
无线节点6 无线局域网
图5-3扩展服务集网络
5.2.2 IEEE 802.1l 协议MAC层的工作模式
IEEE 802.11协议族标准采用CSMA/CA机制，该机制可以利用握手 的方式来解决隐藏终端的问题，同时也利用ACK信号来避免冲突的发 生。 802.11协议族规定了两种不同的MAC层访问机制，一种是分布式 协调功能(Distributed Coordination Function ，DCF)，用来传输异 步数据，同时也是支持PCF机制的基础。另一种访问机制称为点协调 功能(Point Coordination Function，PCF)，是可选的，它只可用于 基本网络配置的拓扑结构。两种工作模式关系如图5-4所示。
的MAC协议。协议假设所有节点之间都是时间同步的，节点发送
的消息由多个固定长度的分组组成，每个消息都有生存时间的限 制，消息产生后必须在给定时间内发送出去，否则该消息即使发
送出去也没有意义。时间被划分为连续的长度相同的时槽，时槽
长度是发送一个固定分组需要的时间。
5.4.4 TRAMA协议
流量自适应介质访问(traffic adaptive medium access，TRAMA)协议 将时间划分为连续时槽，根据局部两跳内的邻居节点信息，采用分布式选举 机制确定每个时槽的无冲突发送者。同时，通过避免把时槽分配给无流量的 节点，并让非发送和接收节点处于睡眠状态达到节省能量的目的。TRAMA协 议包括邻居协议NP (neighbor protocol)、调度交换协议SEP (schedule exchange protocol)和自适应时槽选择算法AEA (adaptive electional gorithm)。
活动 睡眠 S-MAC （a)S-MAC协议的基本机制
活动
睡眠 TA TA
TA T-MAC
（b)T-MAC协议的基本机制 图 5-12 S-MAC和T-MAC的基本机制
5.3.3 Sift协议
Sift MAC协议是针对基于事件驱动的传感器网络提出的 基于竞争的MAC协议。它不同于WLAN的802.11 MAC协议和上面 所述的其他基于竞争的传感器网络MAC协议，而是充分考虑了
第 5章
无线传感器网络MAC层
5.1无线传感器网络MAC协议的分类
针对不同的传感器网络应用，研究人员从不同方面提出了多
个MAC协议，一般可以按照下列几种方式进行分类。 1．信道数 2．信道分配方式 3．节点的工作方式 4．控制方式
5.2 IEEE 802.11协议
5.2.1 IEEE 802.11网络拓扑结构
图5-9 PCF工作模式下的帧传输
5.2.5 DCF与PCF机制的局限性
DCF机制支持异步数据传输，在低负载环境下性能较好，由于 DCF机制仅仅支持尽力而为的服务，没有基于数据流的区分和优先级 的规定，因此对于如VoIP电话、视频会议等需要特定的带宽、延迟 和抖动的实时业务不太适合，但无线网络中的一些关键技术，比如 RTS/CTS，分段/重组等在一定程度上进行了性能的弥补。 PCF机制通过轮询和应答机制提供无竞争的传输，在某种程度上 这种方式类似于令牌网。控制器控制着令牌，使得这一机制适合特 定延迟、抖动要求的传输。
RTS
3 CTS 2
Data
Data
3
… ACK 2 …
Data
1 ACK 0
图5-11 S-MAC与IEEE 802.11 MAC协议的突发分组传送
5.3.2 T-MAC协议
1. 基本工作原理
T-MAC协议在保持周期长度不变的基础上，根据通信流量动态地调 整活动时间，用突发方式发送信息，减少空闲侦听时间。如图5-12(b) 所示，T-MAC协议相对S-MAC协议减少了处于活动状态的时间。
5.2.6 IEEE 802.11的QoS保障
普通的802.11无线局域网标准是没有QoS保障的，为了弥补这一 不足，IEEE提出了802.11的增强型标准——802.11e。802.1le增加了 对QoS的定义，旨在保证语音和视频等高带宽应用的服务质量。 802.11e引入了EDCF和HCF两种机制，具有IEEE 802.1le QoS功 能的STA称为QSTA (QoS-capable STA)，为其他STA提供集中控制的 QSTA称为混合协调器(HC)，HC通常由AP担任，此AP也称为QAP。EDCF 只在CP阶段使用，HCF在CP和CFP阶段都可以使用，因而是一种混合协 调功能。
5.3基于竞争的MAC协议
5.3.1 S-MAC协议
1．周期性侦听和睡眠 2．流量自适应侦听机制 3．串音避免 4. 消息传递
S-M A C
图5-10 协议的虚拟簇
RTS 21 CTS 20
Data 19 ACK 18
D ata 17